近年來，國內學者用不同的方法開展了O形圈的有限元分析，得出了不同工況下的應力分布情況。目前的研究側重在O形圈靜密封性能的有限元分析模擬上，研究重點主要集中在O形圈溝槽結構參數(如溝槽寬度、深度、倒角) 的選取、失效準則的討論、受壓下的變形分析、靜態接觸力的分布和有限元可靠性分析上，而對往復運動中的O形圈密封特性研究較少。但是橡膠O形圈用作往復運動時其工況更惡劣，更容易出現磨損、老化、撕裂、剪切、泄露等導致密封失效的情況。橡膠密封圈在往復密封中的密封能力與活塞桿的運動速度、流體的工作壓力、接觸面之間的摩擦因數、環境溫度以及預壓縮率都有很大的關系。因此主要利用ABAQUS軟件分析了O形圈在往復動密封中的密封特性，研究了不同工作參數下O形圈的變形情況，主接觸面最大接觸應力與Von Mises應力的分布變化規律，最大剪切應力、主接觸面間摩擦力的變化規律及它們之間的相互關系。
      典型的O形圈用作活塞動密封中的三維裝配示意圖，O形圈右側為介質壓力側。外行程是指活塞與O形圈向右的運動過程，內行程是指活塞與O形圈向左的運動過程。O形圈可看作是由橫截面圓繞中心軸回轉形成的彈性體。其結構、約束條件和作用載荷呈軸對稱分布，在載荷作用下的位移、應力和應變也呈軸對稱分布。因此，可將O形圈的力變形計算簡化為軸對稱問題。即以回轉中心軸為對稱軸(即z軸，與密封軸軸心線重合)，彈性體的應力、應變和位移為r和z的函數，與θ無關。
      杭州那泰有限元分析公司研究選用的O形圈材料為丁腈橡膠(NBR)，尺寸參數為φ50mm×5.3mm。由于橡膠密封具有幾何非線性、材料非線性和接觸非線性三大高度非線性特征，研究中作如下幾點假設：材料具有確定的彈性模量和泊松比；材料的拉伸與壓縮蠕變性質相同；密封圈受到的縱向壓縮視為由約束邊界的指定位移引起； 蠕變不引起體積變化；忽略溫度對橡膠材料性能的影響。    
      在ABAQUS分析軟件中建立O形圈、軸筒和凹槽的二維軸對稱有限元模型。定義軸筒和凹槽的材料為鋼，彈性模量為2.1×10⁵MPa，泊松比為0.3，密度為7800kg/m³。橡膠的密度為1200kg/m³。
      整個分析共設置4個分析步，以模擬O形圈的預壓縮過程、流體工作載荷作用過程，以及往復運動過程。模型中設置了密封圈表面與凹槽表面及密封圈表面與軸筒表面兩對接觸對。此接觸問題屬于帶約束條件的泛函數極值問題，應用罰函數法進行描述，摩擦模型選用庫倫摩擦模型。
      劃分網格后的模型采用四邊形CAX4R單元，總共包含2290個節點，單元總數為2099。
      橡膠密封圈的往復密封機制異于其靜密封機制。在靜密封中，依靠裝配過盈量或預加載荷壓縮具有彈性的橡膠體從而實現初始密封，工作過程中，流體壓力作用在密封圈暴露于介質的表面，進一步壓縮密封圈，使得密封面的接觸應力增加進而實現“自密封”。但是，當橡膠密封圈用于往復運動時，由于被密封件的表面并不是絕對平整的，往復運動的活塞桿或拉桿很容易將流體帶到密封圈和其之間，導致發生黏稠泄漏。

                                                                                專業從事有限元分析公司│有限元分析│CAE分析│FEA分析│技術服務與解決方案
                                                                                                                                                      杭州那泰科技有限公司
                                                                              本文出自杭州那泰科技有限公司www.yw15777.cn，轉載請注明出處和相關鏈接！